エキゾーストマニホールド

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en:Ford Cologne V6 engineを左側から見たところ。錆びている鋳鉄製の3in1形エキゾーストマニホールドが見える。
発電用エンジンのエキゾーストマニホールド。
クライスラー・440 Max Wedgeエンジンのエキゾーストマニホールド。
シコルスキー_H-19のエキゾーストマニホールド
遮熱板が付けられたエキゾーストマニホールド

エキゾーストマニホールド: Exhaust manifold)は、内燃機関にける排気管のうち複数の排気流路を1つにまとめる多岐管(manifold)である。日本語ではエキゾーストマニフォールドと表記されるほか、エキマニと略されることもある。排気マニホールドや排気集合管と呼ぶ場合や、タコ足と俗称される場合もある。イギリス英語ではexhaust extractors、アメリカ英語ではexhaust headersとも呼ばれ、それぞれextractorsあるいはheadersと略される場合もある。

概要[編集]

エキゾーストマニホールドは複数の排気ポートに接続されるヘッダーパイプと、複数のヘッダーパイプを集合させるコレクターからなり、一般的に鋳鉄炭素鋼ステンレス鋼などで作られている。3本以上のヘッダーパイプを1度にまとめる組み合わせ場合のほか、たとえば4本を2本にまとめてまとめてから次の段階で2本を1本にまとめる、段階的な組み合わせの場合もある。組み合わせ方や各ヘッダーの長さに応じてエンジンの出力特性や排気音が変化する。排気の熱を受けて高温になると輻射熱を発生するため、周囲に熱の悪影響を及ぼさないようにグラスウールを利用した断熱材が巻かれる場合や金属製の遮熱板が取り付けられる場合、あるいは外側表面にセラミックコーティングが施される場合がある。

自動車用の量産品では長らく鋳鉄製が一般的であったが、軽量化や、段階的に厳しさを増す自動車排出ガス規制への対応から、触媒ガソリンエンジンでは三元触媒、ディーゼルエンジンでは酸化触媒。)に始動直後からの即効性が求められるようになり、早期の温度上昇と温度管理に有利な[要出典]ステンレス鋼管製に移行している。これに対し、自動車用アフターパーツとして製造販売されている製品では鋼管製やステンレス鋼管製が一般的で、鋳鉄製のものは鋳型のコストがかかるため生産量が少ないアフターパーツでは製造されない。鋼管の加工方法にはパイプベンダーを使った「機械曲げ」と、管の中にを詰めてバーナーで赤熱させて曲げる「手曲げ」がある。機械曲げは単位時間あたりの製作数が多く単価を抑えられる利点があり、手曲げは屈曲部の内径が減少しにくい利点がある。あるいは、曲がり部分を細かく分割し、斜めに切断した直管を組み合わせて溶接して制作する方法もある。

排気干渉[編集]

エキゾーストマニホールドはヘッダーパイプの長さや径だけでなく、集合させる組み合わせによってもエンジン特性が変化する。大きく分けると、排気干渉(: exhaust interference)を積極的に利用して掃気効率(: exhaust scavenging efficiency)を高める設計と、排気干渉を利用せずに排気効率を高める設計がある[1]。排気ポートから排気が行われると、排気管内には圧力波が生じて管内を往復する、排気脈動(: exhaust pulse)と呼ばれる現象が起こる[2]。この時に排気はヘッド」、「ボディ」、「テール」の3つから成る排気パルスを形成する。排気パルスで最も高圧の「ヘッド」はマフラーの外で、燃焼室内の排気ガスと外気の大気圧の大きな圧力差によって形成される。ヘッドが大気に放出されるとマフラー内部の排気速度は減少して、「ボディ」と呼ばれる中程度の圧力のパルスに変化する。そしてエキゾーストマニホールドと燃焼室内に最後まで残った排気ガスは「テール」と呼ばれる比較的低圧のパルスを形成する。この低圧のテールパルスは始めは外の大気圧と同じ程度の圧力であるが、ヘッド及びボディパルスが排出される勢いで運動量が減少して大気圧よりも低圧となる。[独自研究?]エキゾーストマニホールド内では、1つのシリンダで発生した排気脈動は集合部で反射波となって別のシリンダの排気ポートへ到達するが、排気ポートを開くタイミングで排気脈動の負圧が到達するようにヘッダーパイプを組み合わせて長さを調整すると、掃気を促し新気の充填効率を高くすることができる[3]ごく一般的な傾向としては細く長いヘッダーパイプほど、より低回転で反射波が作用しやすくなる。一般には太いヘッダーパイプほどより高回転域で最大トルクと最高出力を生み出す。ただし余りにも太すぎるヘッダーパイプは排気パルスを減衰しすぎてしまい、排気の速度も大きく低下させ、結果的には超高回転高負荷の際にしか排気パルスが役に立たない排気システムとなってしまいかねない。細いヘッダーパイプは背圧で高回転まで伸びにくい代わりに、低速域から高いトルクを発生させ、扱いやすいエンジンにできる。しかし余りにも細すぎるヘッダーパイプはエンジンが燃焼室から排気ガスを排出する作用を阻害する背圧を高め、吸気行程まで排気ガスの一部が燃焼室に残ってしまい、かえってエンジン出力を低下させる結果を招いてしまう。[独自研究?]4気筒エンジンでは、排気干渉を利用して掃気効率を上げる設計として、4本から2本、2本から1本へと段階的に集約する「4-2-1」レイアウトが利用される[4]。一方、排気効率を優先する場合は等長ヘッダーパイプが組み合わされ[5]、4気筒の場合は4本を一度にまとめる「4-1」レイアウトが利用される[4]ヘッダーパイプを全てのシリンダーで同じ長さとすることで、一つのシリンダーの排気パルスが放出された後にも別のシリンダーが切れ目なく排気パルスをマフラー内部に形成できるようになる。先に排出された排気の低圧テールパルスは、次に排気行程に入ったシリンダーから発生する排気パルスとの大きな圧力差を生み、より強力な高圧ヘッドパルスの形成を助ける効果がある。これが切れ目なく断続的に繰り返されることで、結果として排気速度が上昇して吸気効率の向上にも繋がる。[独自研究?]4-2-1レイアウトは通常の道路を走行する際に利用される中低速域でのトルクや燃費に優れ、4-1レイアウトは高回転を多く利用するレース車両に向いている[1][4]

「タコ足」と呼ばれるのは、各排気ポートから集合部までを等長化した際、集合部までの距離が短いシリンダーのパイプの長さを狭いスペースの中で稼ぐ必要から、うねるような余分な曲がりが付き、それがタコの足のような形状になることに由来している。エキゾーストマニホールドには騒音振動を抑える役割もある。エキゾーストマニホールドを極端に短くすると、排圧が高まった状態で別のシリンダーの排気が開始されて排気の流れが悪くなるため、排気干渉を抑える場合は、できるだけエキゾーストマニホールドを長くする。旧式のエンジンや吸排気バルブの開閉タイミングのオーバーラップの小さい実用エンジン(低中速型エンジン)、ディーゼルエンジンでは、タコ足部分が無いか、あっても非常に短いものが多く、エキゾーストマニホールド自体の容量が大きく、全体がチャンバー状になっている。[独自研究?]

オートバイの4気筒エンジンの場合、かつてはエキゾーストマニホールドを設けずに各シリンダーから1本ずつに分かれたままの排気管を採用していたが、現在では4-1レイアウトと4-2-1レイアウトが主流である[6]1970年代までのオートバイでは、メーカーの製造技術とコストの兼ね合いから直列2気筒エンジンの場合は2本マフラー、直列4気筒エンジンの場合は4本マフラーを採用せざるを得ず[独自研究?]、ユーザーが性能アップを図る目的で社外品の集合管タイプのマフラーに交換することも多かった。1990年代以降は1970年代以前の雰囲気を再現したオートバイが多数登場し、同時代の純正マフラーに似た左右出しマフラーが採用されたが、このような左右出しマフラーでも自動車のX-パイプに似た構造の左右結合パイプが用いられており、レトロな雰囲気と排気効率を両立することに貢献している[独自研究?]

2つのシリンダーヘッドを持つV型6気筒V型8気筒エンジンでは、両側のヘッドのエキゾーストマニホールドを一本に結合するパイプも、先に排出された排気パルスの低圧部分を利用して次の排気パルスの排気速度を上昇させる作用を果たしている[独自研究?]。このようなパイプは結合後の排気経路が一本出しマフラーとなる場合はY-パイプ、一度二つのエキゾーストマニホールドを結び付けた後に二本出しマフラーに再び分岐するタイプのものはX-パイプと呼ばれる。

脚注[編集]

  1. ^ a b HM Headers - Performance headers, extractors, mufflers, exhaust systems, hi flow catalytic converters, complete exhaust or cat back systems - Technical Information About Headers”. HM Headers. 2014年2月19日閲覧。
  2. ^ バイク用語辞典”. ヤマハ発動機株式会社. 2014年2月19日閲覧。
  3. ^ 『マツダ技報 No.30』 マツダ株式会社、2012年、5頁。
  4. ^ a b c HowStuffWorks "What does a 4-2-1 exhaust system do?"”. HowStuffWorks, Inc. 2014年2月19日閲覧。
  5. ^ Exhaust Manifold - Product Philosophy - MUGEN”. M-TEC Co.,Ltd. 2014年2月19日閲覧。
  6. ^ バイク用語辞典”. ヤマハ発動機株式会社. 2014年2月19日閲覧。

関連項目[編集]